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Potencial Eletroquímico e Equilíbrio Termodinâmico

1900
  • Josiah Willard Gibbs
  • E. A. Guggenheim
Researcher measuring electrochemical potential in a laboratory setting, physical chemistry.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Em um sistema em termodinâmica equilíbrio, o potencial eletroquímico, [latex]bar{mu}_i[/latex], para qualquer espécie carregada `i` dada, deve ser uniforme em todas as fases. Se existir um gradiente ([latex]nabla bar{mu}_i neq 0[/latex]), os íons se moverão espontaneamente de regiões de potencial mais alto para regiões de potencial mais baixo, criando uma corrente ou fluxo, até que esse gradiente seja eliminado e o equilíbrio seja restabelecido.

The principle of uniform potencial eletroquímico at equilibrium is a direct consequence of the Segunda Lei da Termodinâmica, which states that a system will spontaneously evolve towards a state of minimum Gibbs free energy. Since the electrochemical potential is the partial molar Gibbs free energy for a charged species, any gradient in this potential represents an opportunity for the system’s total free energy to decrease through the movement of that species.

Esse movimento, ou fluxo, continua até que o potencial eletroquímico se torne constante em todos os pontos acessíveis às espécies. Nesse ponto, a força resultante sobre os íons é zero e não há mais movimento resultante. Esse equilíbrio é dinâmico, não estático; íons individuais ainda podem se mover, mas o fluxo em uma direção é perfeitamente equilibrado pelo fluxo na direção oposta.

Um exemplo clássico é o equilíbrio de Donnan, que ocorre em uma membrana semipermeável, permeável a alguns íons, mas não a outros (como proteínas grandes). Íons pequenos e permeáveis ​​se redistribuem através da membrana para equilibrar seus potenciais eletroquímicos. Isso resulta em uma distribuição desigual tanto de concentração quanto de potencial elétrico, criando um potencial de membrana estável em equilíbrio. Esse mesmo princípio rege o comportamento das junções pn em semicondutores, onde elétrons e lacunas se difundem até que o potencial eletroquímico (nível de Fermi) se torne constante através da junção, criando um campo elétrico interno.

UNESCO Nomenclature: 2209
Química física

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • O conceito de equilíbrio químico por Claude Louis Berthollet
  • As leis da termodinâmica, particularmente o conceito de entropia e energia livre.
  • Definição de potencial químico de Josiah Willard Gibbs
  • O trabalho de Rudolf Clausius sobre entropia

Aplicações

  • Prever a direção do fluxo de íons através das membranas celulares
  • Determinar a tensão de equilíbrio de uma bateria (força eletromotriz)
  • Modelagem da distribuição de carga nas interfaces eletrodo-eletrólito (dupla camada elétrica)
  • Compreendendo o comportamento da junção pn de semicondutores em equilíbrio.
  • projetando sensores eletroquímicos

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • self-regulating osmotic power generators that maintain optimal potential gradients
  • smart fertilizers that release nutrients in response to soil electrochemical equilibrium shifts
  • bioreactors that optimize microbial growth by maintaining a constant electrochemical environment
  • passive atmospheric water harvesters using materials with engineered potential gradients
  • ion-gradient-based logic gates for ‘wet’ computing systems
  • medical diagnostic tools that detect disease states by measuring deviations from electrochemical equilibrium in tissues
  • waste remediation systems that use potential gradients to separate and sequester pollutants
  • dynamic camouflage materials that change color by controlling ion distribution
Relacionado a: termodinâmica equilibrium, ion flux, gradient, segunda lei of thermodynamics, gibbs free energy, donnan equilibrium, spontaneous process, electrodiffusion.

Contexto histórico

Potencial Eletroquímico e Equilíbrio Termodinâmico

1895
1895
1896
1900
1900
1900
1900
1890
1895
1895
1899
1900
1900
1900
1900

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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